多平台协同的远程空空导弹网络化制导研究
马晨 崔颢 陈辛
DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0007
摘要：远程空空导弹飞行距离远、时间长，若按照传统复合制导方式进行中制导，对制导链路的作用距离和范围提出了较高的要求，并且远距离飞行容易受到敌方干扰、制导平台容易被摧毁，这都对导弹中末制导截获概率有着极大的影响。网络化制导系统以网络为中心，利用多个传感器的目标指示信息对导弹进行制导，具有很强的抗干扰以及抗毁伤能力，可大幅提升系统作战效能。本文从闭合远程空空导弹的杀伤链出发，对支持远程空空导弹打击的网络化制导及其关键技术进行分析，通过构建战场对抗仿真系统，对整个制导过程进行验证。
关键词：远程空空导弹;制导链路;截获概率;网络化制导;对抗仿真系统;武器协同技术
中图分类号：TJ765文献标识码：A文章编号：1673-5048（2019）04-0067-08
0引言
预警机是现代空战的重要支撑节点，在联合作战、预警探测、作战指挥等各方面扮演着重要的角色，是现代空战体系的核心。摧毁敌方预警机是使对手丧失制空能力，实现“击要破体”的重要手段。而预警机作为高价值空中目标，往往活动于作战空域后方，因此要想对其实施有效打击，传统空空导弹不能满足攻击需求，需要开展远程空空导弹能力的研究。多平台协同网络化制导作战方式，能通过武器协同数据链，将分布在战场上的各类传感器联网，构成一个巨大的分布式传感器网络。不仅能提高信息探测精度，同时能解决单一平台抗毁能力差、容易受干扰等缺点，进而大幅提高远程空空导弹的作战效能[1-3]。
本文从远程空空导弹的多平台协同网络化制导能力需求出发，研究支持远程空空导弹攻击的打击体系、动态组网、多源信息融合等技术，利用战场对抗XSim仿真软件，构建典型作战场景，通过战术对抗仿真，验证多平台协同的远程空空导弹网络化制导的可行性。
1国外发展情况
冷战期间，为应对苏联海军、空军低空掠海飞行反舰导弹的饱和攻击，美国约翰-霍普金斯（JohnsHopkins）大学应用物理实验室提出使用空基雷达协同防空舰射舰空导弹进行跨地平线攻击的设想，这一设想发展成为后来的协同交战系统（CEC）[4]。CEC是实现导弹网络化制导的典型代表，其利用战场战术通信网络将传感器和武器系统连接在一起，使网络内的传感器共享目标信息，并对网内所有火控计算机的信息进行自动更新，从而使武器系统与目标交战（如发射导弹和指挥飞机攻击等）不局限于单个武器系统，而是协调网络内的各武器系统以最佳方式、最佳位置、最适合的武器系统来对付敌方目标。除此之外，CEC系统能连接网络内所有探测节点，形成一条各节点同步的目标航迹，解决了传统单一传感器被干扰、摧毁而造成的杀伤链断裂的问题。
在CEC基础上，美国海军提出了海军一体化防空火控项目（NIFCCA）[5]，如图1所示。该项目基于数据链系统构建数据共享网络获取信息优
势，构建分布式探测-跟踪-火控-打击的防空拦截链，实现编队协同作战和超视距防空作战能力，是美军典型的网络中心战系统。
NIFC-CA的作战流程遵循了美国国防部体系结构框架（DODAF），并被分成海上（FTS）、空中（FTA）以及滨海陆地（FTL）三种杀伤链，见表1。陆地杀伤链为空海杀伤链的引申，因此仅对空海杀伤链进行描述。在海上杀伤链，各协同作战平台进行独立搜索，确认威胁目标后，自动生成最优协同防空交战，并通过综合防空火力控制系统组织火力通道，完成协同防空交战任务。在空中杀伤杀伤链远程传感器传感器网主动制导导弹海上（FTS）E-2D预警机、联合对陆攻击巡航导弹防御浮空式网络化传感器系统（JLENS）协同交战能力（CEC）“标准-6”舰空导弹空中（FTA）E-2D预警机、F-18E/F战斗机Link-16数据链AIM-120D先进中程主动雷达制导空空导弹陆地（FTL）E-2D预警机、JLENS、TPS-59雷达、G/ATOR低/空任务定向雷达复合目标跟踪网、CTN（安装CEC设备的陆战队机动车辆）低空补盲武器系统（AIM-120D导弹的陆基型）链，协同平台搜索到目标之后，利用Link-16数据链，将探测传感器的信息回传到火力平台上，为火控提供实时通信能力。
目前，NIFC-CA主要包含5个部分：①E-2D“先进鹰眼”预警机，作为中心节点，负责协调航空母舰打击群的空中装备与航空母舰联队的所有其他飞机保持联接，同时还负责与航空母舰打击群的其他舰队通信;②联合对陆攻击巡航导弹防御浮空式网络化传感器系统（JLENS），负责高空多目标的探测、跟踪和识别，并为防空系统提供告警;③协同交战能力（CEC），用于海上、空中和滨海陆地作战单元与武器系统的联接，支持火控级精度的复合跟踪，实现对威胁目标的协同打击;④宙斯盾（AEGIS）作战系统，负责舰艇的综合作战、指挥控制以及训练等作战任务;⑤“标准-6”导弹，可利用空、海、天等远程传感器的信息，通过网内作战平台的制导交接，实现多平台的接力制导，摧毁目标。
在美军2016年6月发布的《2016-2025年海军航空兵愿景》中提出，未来会将F-35C、EA-18G、无人机等纳入前出作战节点，在与海上舰艇协同、集成后，形成航空母舰编队的一体化防空火控能力，并最终形成整个海军的一体化防空火力能力。
2远程空空导弹网络化制导分析
多平台协同的远程空空导弹网络化制导是通过多平台组网形成作战体系，对被攻击目标进行侦察、探测、攻击和评估的作战方式，在远程打击敌方预警机等空中高价值目标时，其作战能力相对单一平台有显著提升。本文主要对网络化制导的两个关键技术进行研究：支持远程空空导彈制导的多源信息融合技术、网络化动态组网技术。
2.1多源信息融合技术
在针对预警机等高价值目标的攻击过程中，往往需要空空导弹对超远距离外目标实施打击，而在这一攻击过程中，单平台制导攻击方式已经不能满足远距离制导的需求，因此，必须利用体系内多种探测平台为导弹提供目标信息，确保整个攻击过程中的信息支持。
但由于体系中多探测平台提供的目标信息存在多源信息时空不一致、信息维度缺失、信息非周期延迟等问题，需要对多源信息进行融合处理，获得唯一的导弹中制导信息，确保远程空空导弹攻击的闭环。多源信息融合方法由时空配准、多目标跟踪、异步异质信息融合等环节组成，其总体框架结构如图2所示。
远程打击网络化制导过程中，由于各传感器偏差引起的测量误差，对导弹中末制导交接班截获概率有较大影响，多源信息时空对准主要解决测量误差的问题。其中，多源信息的时间对准算法，通常使用最小二乘法、内插外推法、曲线拟合法以及滤波法等[6-10]。考虑到内插外推法简单、容易实现，因此可采用内插外推法进行多源信息的时间对准;空间对准主要内容为坐标系的转换，可利用最大似然法对目标状态值、传感器系统偏差和传感器姿态偏差进行配准;在系统野值方面，可采用卡尔曼滤波算法来剔除野值。
多目标跟踪算法主要实现各个探测节点对多个目标的航迹生成及更新，不仅提高了信息更新的频率，同时解决了数据链中断的问题。多目标跟踪算法通常包括NN（最近邻域法）、PDA（概率数据关联）、MHT（多假设目标跟踪）等[11-14]，其中MHT算法被认为是理想条件下数据关联的最优算法[12]，同时其计算原理简单，能实现实时计算。MHT算法流程如图3所示。
根据已有目标航迹，生成若干目标假设，使用N-best方法进行航迹的快速分配，并在最后一次求解的假设中，使用剪枝算法Prune对航迹进行迭代，不断形成新的预测与假设。
为了提高低信息精度条件下空空导弹远程打击的能力，开展多源信息异步异质融合方法的研究。在多源信息异步融合算法中，对于目标状态未更新的情况，可建立当前时刻的伪量测，并采用去相关卡尔曼滤波的方法获得目标状态估计;对于目标状态已更新的情况，则可采用递推的方法，对采样时刻到当前融合时刻的所有目标状态进行更新。对于异质融合，则可采用拓展卡尔曼滤波的方法对量测进行融合处理。
2.2网络化动态组网技术
在网络化动态组网技术的研究中，由于空中作战平台普遍存在移动速度快、作战半径广等特点，网络节点的高速移动可能造成已建立的网络连接失效，若网络重新连接的时间较长，将严重影响网络节点的可用性;同时网络化作战体系也存在网络节点数量多、跨域分布，网络结构拓扑变化等特性，因此，如何通过网络化动态组网技术实现对体系内已有资源、平台间的相互支援、协作，成为远程空中打击的重要途径或方法。
在多源信息网络化作战系统中，动态自组网数据链系统会利用各类传感器、数据库等资源，通过实时共享作战过程中的目标位置、姿态、威胁度等信息，实现跨越低轨天基、地基、空基三个层次的立体化网络连接，实现各作战平台之间的战技配合作战。网络化动态组网技术集成应用了空间信息网络、武器协同链、信息融合以及复合制导等技术，能实现多源信息平台的动态快速接入应用，以及面向精确制导应用的高效信息分发。多源信息网络应包含以下几点功能：①根据战场态势快速构建作战网络;②平台自动实现入网、退网，而不会对网络造成影响;③各作战平台与导弹之间的通信链路随意切换，不需要平台重新退网、入网;④根据信息优先级调整网络信道等资源，从而保证数据传输的高效性、可靠性、抗干扰性。
网络化动态组网技术的研究主要包含网络路由协议的制定、作战平台的多址接入技术。
现有无线移动网络协议有OLSR，DSDV，AODV，DSR等[15-16]。DSDV协议能消除路由环路的产生，同时加快了收敛速度。当传输节点需要发送数据时能直接得到路由的信息，减少了数据包的传输时延，满足需求[17]。但是该协议在建立过程中，每一个移动终端都会建立一个路由，这样就会对网络造成很大的负担。因此可选用DSDV协议，同时将基于跳数的路径代价改为基于链路发送功率和速率的代价，这样每个节点就可以通过与相邻节点交换信息，建立网络中所有节点的传输路径。
常用的多址接入技术有轮询，FDMA，TDMA，CSMA，SPMA，SDMA，OFDMA等[18-20]，通常为了提高接入性能，往往会采用多种接入机制混合使用[21]。由于SPMA接入协议相比于其他协议能快速访问信道，接入时延更低，同时具有更高的协议接入灵活性，具备较强的业务优先适配和网络拓扑的自适应能力，因此更适合高动态、高实时的网络化动态组网技术。
3基于体系对抗的网络化作战仿真
随着空空导弹技术的不断发展，越来越需要从战场需求的角度出发，考虑装备在实际体系对抗中所能发挥的作用和能力，而传统的仿真手段不能满足这一需求[22-23]。因此需要对装备体系化作战进行仿真，本文采用XSim体系对抗仿真软件进行仿真分析。XSim是一款具有高度二次开发接口的作战对抗仿真软件，该软件支持组件的模块化设计，能实现作战系统的实时仿真、动态推演以及作战结果的综合分析评估等多方面功能需求。
3.1仿真场景构建
作战场景设置：敌我双方夺取某海域制空权，敌方作战群在我方海域执行情报搜索任务;我方作战单元在我方海域执行巡逻任务。敌方作战单元入侵我方领土后，由我方空海天作战平台协作制导远程攻击空空导弹，攻击敌方预警机作战节点。我方主要作战节点设置有：前出探测机、预警机及其护航战斗机群、舰船以及天基卫星群;敌方作战节点设置有：预警机及其护航战斗机群。在仿真过程中，设置我方探测信息不连续，模拟实战中信号中断情况，同时模拟敌方对我方探測平台的干扰作用，用以检测网络化作战关键技术的作用。
3.2仿真模型
根据作战场景，建立各作战节点的实体模型，仿真系统设计中，主要实体模型有：飞机模型、舰船模型、天基卫星模型等。空基飞行模型包括我方导弹发射机、巡逻机、预警机，以及敌方预警机群模型。考虑到网络化制导条件下导弹工作模式的变化，需要对空空导弹模型以及卫星模型、多源信息融合模型、通信仿真模型进行开发。各模型构建方法及模型间关系如图4所示。
3.2.4通信仿真模型
通信仿真模型利用多个不同探测器获得的目标信息，经过打包处理，通过网络传输到空空导弹上的通信端机，由导弹上的处理系统形成更高精度的目标信息供导弹飞行。该模块仿真模拟真实情况中的延迟、丢包、传输速率等网络特征，并提供信息透传能力。在仿真过程中，每个通信仿真模型对应于一个平台上的通信端机，各通信仿真模型之间相互独立，并接受仿真总控的周期调度。
组网通信模型主要包含信息维护、节点的入网、数据的调度。其中信息维护主要包含仿真时间的维护以及各节点状态的维护;节点的入网通过与邻居节点进行信息交互，从而实现网络的发现以及信息的交换，并采用分布式入网认证的方式对节点进行快速认证，进而接入网络;数据的调度主要包含节点对数据的接收、发送以及中继。节点会根据数据的状态进行判断，选择接收或丢弃数据，同时数据在发送时就会判断其优先级，并根据情况选择其对应的传输信道，确保重要信息的高效分发。
3.3仿真结果
观察仿真对抗结果可以发现，我方空空导弹在友方作战单元的信息支持下，实现了多源信息的融合，其融合结果如图6所示。由图可以看出，融合前各探测器中均存在探测精度较差的信息，但经过多源信息融合系统融合后，目标航迹基本能与目标运动轨迹重合，且为一条连续的航迹信息。图7为网络化拓扑结构图，图中各平台间的指挥控制关系由虚线连接，平台之间的通信过程由实线连接。由图可知，导弹在运动过程中，能接受来自不同作战平台提供的信息。
各平台信息状况如图8所示。通过图8可发现，我方探测平台在信息探测阶段由于外界環境等原因，造成探测信息的中断或信息不连续的情况，但在多源信息融合系统之后，通信阶段均能够提供完整的目标信息;同时由于敌方干扰机对我方探测平台实施干扰，造成我方探测机出现通信缺失的情况。通过仿真结果可发现，即使敌方对我方某一区域内平台实施干扰，我方导弹仍能在未受干扰平台的接力制导下完成导弹的制导工作。
在以上作战想定下，分别改变导弹发射机高度、速度以及目标机动等信息，计算得到导弹中末制导交接班截获概率，结果如表2所示。结果显示，截获概率均值能达到0.926，即使在极端环境下，截获概率也均能达到0.885，相比于传统制导方式，其末段截获性能得到极大的提升。
4结论
远程空空导弹网络化作战是未来空空导弹发展的必然趋势，多平台传感器间火控级精度的协同制导，能极大提高对机动目标的连续有效跟踪，进而提高导弹命中率，提高体系作战效能。本文以远程空空导弹网络化作战为背景，结合相关文献，对网络化作战中多源信息融合、多源信息动态组网等关键技术进行简要分析，并通过体系对抗仿真软件对典型场景进行仿真分析。由仿真结果可知，多平台的协同作战能为导弹提供完整的目标信息，同时导弹中末制导交接班截获概率相较于传统制导方式有较大提升，能满足远程空空导弹网络化作战的需求。
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